Altium第十八章

1、电子线路板极仿真实现何宾何宾2013.112013.112Copyright 2009 Altium Limited主要学习内容n Altium Designer信号完整性分析原理和功能 n 设计实例信号完整性分析。3Copyright 2009 Altium Limited AD信号完整性分析原理和功能n 在高速数字系统中，由于脉冲上升/下降时间通常在十几几百皮秒，一旦脉冲受到内连、传输时延和电源噪声等因素的影响，则会造成脉冲信号失真的现象。n 在自然界中，存在着各种各样频率的微波和电磁干扰源，可能由于很小的差异导致高速系统设计的失败。 4Copyright 2009 Altium Limi

2、ted AD信号完整性分析原理和功能n 在电子系统向高密度和高速电路设计方向发展的今天，解决信号完整性问题，成为当前每一个电子设计者所必须面对的问题。n 业界通常会采用在PCB制板前期，通过信号完整性分析工具尽可能将设计风险降到最低，从而也大大促进了EDA设计工具的发展。n 信号完整性问题是指高速数字电路中，脉冲形状畸变而引发的信号失真。 5Copyright 2009 Altium LimitedAD信号完整性分析原理和功能n 通常由传输线阻抗不匹配所产生。而影响阻抗匹配的因素包括： 信号源的结构、输出阻抗、走线特性阻抗、负载端特性、走线的拓朴架构等n 信号完整性问题通常不是由某个单一因素导

3、致的，而是板级设计中多种因素共同作用的结果。n 信号完整性问题主要表现形式包括：信号反射、信号振铃、地弹、串扰等。6Copyright 2009 Altium LimitedAD信号完整性分析原理和功能1、信号的完整性分析原理n 在Altium Designer设计环境下，设计者既可以在原理图又可以在PCB编辑器内实现信号完整性分析。n 并且，能以波形的方式在图形界面下给出反射和串扰的分析结果。n Altium Designer的信号完整性分析采用IC器件的IBIS模型，通过对版图内信号线路的阻抗计算，得到信号响应和失真等仿真数据。7Copyright 2009 Altium LimitedA

4、D信号完整性分析原理和功能n Altium Designer仿真参数通过一个简单直观的对话框进行配置通过使用集成的波形观察仪，实现图形显示仿真结果。n 此外，还可以直接在标注坐标的波形上进行测量，输出结果数据还可供进一步分析之用。 n Altium Designer提供的集成器件库包含了大量的的器件IBIS模型设计者可以添加器件的IBIS模型，n Altium Designer的SI功能包含了下面的阶段： 1）布线前，即：原理图设计阶段。2）布线后，即：PCB版图设计阶段。8Copyright 2009 Altium LimitedAD信号完整性分析原理和功能n 通过采用成熟的传输线计算方法，

5、以及I/O缓冲宏模型进行仿真。基于快速反射和串扰模型，信号完整性分析器使用完全可靠的算法，从而能够产生出准确的仿真结果。n 布线前的阻抗特征计算和信号反射的信号完整性分析，设计者可以在原理图环境下运行SI仿真功能，对电路潜在的信号完整性问题进行分析，n 比如：阻抗不匹配等因素。9Copyright 2009 Altium LimitedAD信号完整性分析原理和功能n 在布线后PCB版图上，完成更全面的信号完整性分析。n 它不仅能对传输线阻抗、信号反射和信号间串扰等多种设计中存在的信号完整性问题以图形的方式进行分析，而且还能利用规则检查发现信号完整性问题。n 同时，Altium Designer

6、还提供一些有效的终端选项，来帮助设计者选择最好的解决方案。Copyright 2009 Altium LimitedAD信号完整性分析原理和功能2、分析设置需求 n 在PCB编辑环境下进行信号完整性分析。为了得到精确的结果，在运行信号完整性分析之前需要完成以下步骤： (1)电路中需要至少一片集成电路。 (2)对于设计中的每个元件，需要提供准确的信号完整性模型。 (3)在设计规则中，必须设定电源网络和地网络。Copyright 2009 Altium LimitedAD信号完整性分析原理和功能(4)必须要提供激励源。(5)必须正确地设置PCB的叠层。(6)电源平面必须连续，分割电源平面将无法得到

7、正确分析结果。(7)要正确设置所有层的厚度。注意：在该设计中存在分割的电源平面，因此仿真的结果可能会注意：在该设计中存在分割的电源平面，因此仿真的结果可能会有偏差有偏差。Copyright 2009 Altium LimitedAD信号完整性分析原理和功能3、操作流程 n 布线前SI分析概述 p 设计者如需对项目原理图设计进行SI仿真分析，Altium Designer要求必须建立一个工程项目名称。p 在原理图SI分析中，系统将采用在SISetup Option对话框设置的传输线平均线长和特征阻抗值；Copyright 2009 Altium LimitedAD信号完整性分析原理和功能p 同时

8、，允许用户直接在原理图编辑环境下放置PCB Layout图标，直接对原理图内网络定义规则约束。p 当建立了必要的仿真模型后，在原理图编辑环境的菜单中选择Tools - Signal Integrity命令，运行仿真。Copyright 2009 Altium LimitedAD信号完整性分析原理和功能n 布线后SI分析概述 如需对项目PCB版图设计进行SI仿真分析， Altium Designer要求必须在项目工程中建立相关的原理图设计。此时，当在任何一个原理图文档下运行SI分析功能将与PCB版图设计下允许SI分析功能得到相同的结果。Copyright 2009 Altium LimitedA

9、D信号完整性分析原理和功能当建立了必要的仿真模型后，在PCB编辑环境的菜单中选择Tools - Signal Integrity命令，运行仿真。注：这里，只对布线后SI进行分析，而对于布线前SI没有进行分析。如果有兴趣的话，可以仿照布线后SI分析的方法，实现对布线前的SI分析。Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析p检查原理图和PCB图之间的元件链接 在进行设计实例信号完整性分析前，新my_sch_pcb_design6 的子目录，将my_sch_pcb_design5子目录下的所有文件复my_sch_pcb_design6子目录下。Copyrigh

10、t 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析下面给出检查设计实例原理图和PCB图之间元件链接的步骤，其步骤主要包括：1打开设计工程和PCB设计文件，进入PCB编辑器界面。2在AD主界面主菜单下，选择Project-Component Links。 注：步骤2不是必须执行的，只有在设计中存在原理图和PCB图元 件没有完成对应的时候才需要执行该步骤。Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析3出现Edit Component Links between Schematic Document Shee1.SchDoc and PCB Do

11、cument（在原理图文档和PCB文档之间，编辑元件链接）对话框界面。4. 在该界面下，看到OSC1和SW1元件没有完成元件的原理图封装和PCB封装的映射。分别选择这两个元件，然后点击“”按钮。完成添加OSC1和SW1元件的对应。Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析点击按钮完成添加原件的对应Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析5. 在该界面右下角，点击 按钮。6. 出现Information对话框，点击OK按钮，完成所有元件的原理图和PCB图的链接。7. 关闭该对话框界面。Copyright 2009

12、Altium Limited 设计实例信号完整性分析p叠层参数设置 在执行信号完整性分析前，需要对叠层的相关参数进行设置。下面给出设置叠层参数的步骤，其步骤主要包括： 1. PCB编辑器下，在AD主界面主菜单下，选择Design-Layer StackManager。 2. 出现如下图所示的叠层管理器界面。Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析点击按钮Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析点击ok退出编辑Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析p信号完整性规则设置

13、这个部分将进行信号完整性规则设置，用于帮助实现信号完整性分析。下面给出进行信号完整性规则设置的步骤，其步骤主要包括： 1.在AD主界面主菜单下，选择Design-Rules。 2.出现PCB规则和约束编辑器界面。在该界面左侧列表中找到Signal Integrity，并展开。在展开项中，找到SignalStimulus（信号激励）。右键点击Signal Stimulus，出现浮动菜单，在浮动菜单内选择New rule。在新出现的Signal Stimulus界面下，进行参数设置。Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析设置为Single Pulse 设

14、置为20.00n设置为20.00nCopyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析3. 在上图左侧列表中找到Signal Integrity，并展开。在展开项中，找到Supply Nets（供电网络）。右键点击SupplyNets，出现浮动菜单。在浮动菜单内选择New rule在新出现的SupplyNets界面下，按如下图设置参数：Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析4按上面的方法新添加规则。分别为VCC5V0、VCC3V3、VCC2

15、V5、VCC1V2设置不同的电压值电压值。下图给出了新添加的供电规则的列表。Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析p为元件分配IBIS模型 这个部分将为PCB设计中的所有元件分配IBIS模型。下面给出分配IBIS模型的步骤，其步骤包括： 1.进入PCB编辑器界面。 2.在AD主界面主菜单下选择Tools-Signal Integrity。 3.如下图所示，出现Errors or warning found（发现错误或者警告）对话框界面。Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析点击按钮，为元件分配IBIS模型C

16、opyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析4. 点击 按钮，为元件分配IBIS模型。5 出现Signal Integrity Model Assignments for fpga system.PcbDoc（为fpga system.PcbDoc分配信号完整性模型）对话框界面。在该模型配置界面下，能够看到每个器件所对应的信号完整性模型，并且每个器件都有相应的状态与之进行对应。Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析 状状态态 说明说明

17、 No Match 表示目前没有找到与该器件相关联的信号完整性分析模型表示目前没有找到与该器件相关联的信号完整性分析模型，需要人工指定模型。，需要人工指定模型。 Low Confidence 系统自动为该器件指定了一种模型，但置信度较低系统自动为该器件指定了一种模型，但置信度较低 Medium Confidence 系统自动为该器件指定了一种模型，置信度中等系统自动为该器件指定了一种模型，置信度中等 High Confidence 系统自动为该器件指定了一种模型，置信度较高。系统自动为该器件指定了一种模型，置信度较高。 Model found 已经存在和器件相关的模型。已经存在和器件相关的模型

18、。 User Modified 用于修改了模型的有关参数。用于修改了模型的有关参数。Model added 用户创建了新的模型。用户创建了新的模型。 Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析 6在Signal Integrity Model Assignments for fpga system.PcbDoc对话框界面，有一些元器件的状态标记为No Match。需要为这些元器件分配模型。设计者双击元件名，打开如下图所示的Signal Integrity Model（信号完整性模型）参数设置对话框界面，按下面设置参数：Copyright 2009 Alt

19、ium Limited 设计实例信号完整性分析选择器件的类选择器件的类型型 选择相应的驱动选择相应的驱动类型类型 模型设置完成后选择模型设置完成后选择OK按钮，退出模型配置界按钮，退出模型配置界面。面。 如需要从外部导入与器件相关如需要从外部导入与器件相关联的联的IBIS模型，点击按钮。选模型，点击按钮。选择从器件厂商那里得到的择从器件厂商那里得到的IBIS 模型即可。模型即可。Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析点击按钮，将修改后的模型更新到原理图中。Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析p执行完整性分

20、析 这个部分将执行信号完整性仿真。下面给出执行信号完整性仿真的步骤其步骤主要包括：点击此按钮Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析2.出现SI Setup Options（SI设置选项）对话框界面。在该界面中保留默认值，然后点击按钮。Altium Designer开始运行信号完整性仿真程序。点击此按钮，开始运行点击此按钮，开始运行信号完整仿真程序信号完整仿真程序Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析 3出现SI Integrity（SI完整性）对话框界面。该界面显示了分析后的网络状态。通过此窗口中左侧部分可

21、以看到网络是否通过了相应的规则，如过冲幅度等。通过右侧的设置，可以以图形的方式显示过冲和串扰结果。Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析p观察信号完整性分析结果1. 反射的分析 下面将对设计中的TXD和RXD网络进行反射分析，其步骤主要包括： （1）在Signal Integrity（信号完整性）对话框左侧的列表中，分别选RXD和TXD网络，然后点击右侧的 按钮。Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析Copyright 200

22、9 Altium Limited 设计实例信号完整性分析2如上图所示，在其右侧上方的Net窗口下面，列出了新添加的RXD和TXD两个网络。3.点击该界面右下角的 按钮，查看波形的反射结果。4.RXD的网络接收端上，看到由于反射的存在波形出畸变，在下降沿的末端出现振铃的现象。如下图所示Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析Copyright 2009 Altium Limited 设计实例信号完整性分析下面将对设计中的TXD和RXD网络进行端接，以减少反射。下面给出实现步骤，其步骤主要包括：n选择RXD网络或者TXD网络。n在Termination下，对于ParallelRes to VCC选项。选中Enabled。这样，就为RXD网络和TXD网络进行了并行端接。n如下图所示，点击下方的按钮Copyright 2009 Altium Li